像差是指在实际光学系统中，非近轴光线追迹所得结果和近轴光线追迹所得结果的偏差。像差一般分为球差、彗差、场曲、像散、畸变、色像差以及波像差。

图3-20（a）表示的是球差的产生原理。由于球面镜头边缘的折射增大，远离光轴的光线与近轴光线并不交于同一点，无论像平面在哪里，都会形成一个弥散斑。减小球差的一个办法是使用较大的F数，因为较小的通光光圈可以阻止远离光轴的光线通过镜头。然而如前文所述，由于衍射的存在，无法使孔径光阑无限小。另外一个办法是在镜头中使用非球面来代替球面，这样的镜头称为非球面镜头。

图3-20　像差

图3-20（b）表示的是慧差的产生原理，这是一种与球差类似的像差。与光轴成一定角度的光线通过镜头后不聚于—点。在这种情况下，像不是圆形的弥散斑，而是类似彗星的形状，因此被称为慧差。与球差不同，慧差是非对称的，它会使特征提取算法计算出的位置产生偏差。可以通过使用较小的F数来减小慧差。

图3-21表示的是像散的产生原理。轴外物点和光轴所定义的平面称为子午平面。而过光轴且与子午平面相互垂直的平面称为弧矢平面。轴外物点发出的在子午平面和弧矢平面上的光线通过镜头后不交于一点，而是聚焦成两条短线，分别垂直于子午平面和弧矢平面。从两个垂直方向看，能量被分散开来。这两条短线分别称为子午焦线I T 和弧矢焦线I S。从图中可知，在这两者之间的某一位置能够得到最小的弥散斑。我们也可以通过使用小F数的孔径光阑或者通过特殊的镜头设计来减小像散。

图3-21　像散

图3-22表示的是场曲的产生原理，这是一种与像散关系密切的像差。子午像与弧矢像不一定在同一像平面上，甚至子午像和弧矢像所在的面不是平面。场曲导致整个图像不能完全聚焦，当对焦后图像中心聚焦清晰，则边缘清晰度严重下降。与其他像差一样，可以通过小F数的孔径光阑或特殊的镜头设计克服场曲。

图3-22　场曲

除了上述会影响图像清晰度的像差外，镜头像差还会造成图像形变，这种像差称为畸变。如图3-23所示，不经过光轴的直线通过镜头成像后不再是直线。根据一个矩形成像后的特征可以定义两种畸变：枕形畸变和桶形畸变。需要注意的是通过光轴的光线不产生畸变，而且以光轴为圆心的圆所成的像是或大或小的圆，因此这样的畸变被称为径向畸变。此外，如果镜头各个光学元件的中心线不在一条直线上，则会产生偏心畸变。

图3-23　畸变示意图

上述像差都是在单色光下产生的像差。如果考虑波长对折射率的影响，当物体被白光等多波长光照明时，还会产生色像差，此时不同波长的光线无法汇聚在同一点。对于彩色相机，色像差会在物体像的边缘产生彩色条纹；对于黑白相机，色像差也会影响成像清晰度。色像差因性质不同，分为位置色差和倍率色差两种。

设计出完美的镜头系统消除上述所有像差以及高阶像差是十分困难的。因此，镜头设计者需要在各种像差之间权衡。镜头使用者在挑选镜头时也需要考虑像差对实际使用的影响。